Giáo trình Nguyên lý hóa công nghiệp

MÔN HỌC  
NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP  
30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH)  
TÀI LIỆU THAM KHẢO  
1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999.  
2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi  
- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2,  
Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp  
3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les  
réacteurs chimiques, Technip, 1984.  
4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí  
Minh, 1999.  
5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.  
Nguyên lý hóa công nghiệp  
2
NỘI DUNG MÔN HỌC  
Lý thuyết và bài tập  
Chương I:  
Mở đầu  
Chương II:  
Chương III:  
Chương IV:  
Chương V:  
Chưng luyện  
Trích ly  
Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng  
Thiết bị trao đổi nhiệt  
Thực hành  
Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công  
nghiệp hóa học  
Nguyên lý hóa công nghiệp  
3
MỤC LỤC  
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT.......................................................................................... 19  
THỰC HÀNH  
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG  
NGHIỆP HÓA HỌC  
Nguyên lý hóa công nghiệp  
4
Nguyên lý hóa công nghiệp  
5
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU  
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC  
Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau:  
1.  
Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu  
rắn.  
2.  
Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về:  
− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí.  
− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …)  
− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng,  
lọc, ly tâm, …)  
3.  
Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về:  
− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …)  
− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc)  
− Các quá trình làm lạnh.  
4.  
Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về:  
− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau  
− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh,  
…)  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
6
1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI  
1.2.1. Định nghĩa  
- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc  
trực tiếp với nhau;  
- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ,  
hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …  
1.2.2. Phân loại  
Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:  
- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó  
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ  
biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …)  
- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum  
bằng cách cho H2SO4 đậm đặc hấp thụ khí SO2; tách khí acide bằng dung dịch  
alkanolamine);  
- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide  
ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử);  
- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng  
hay chất rắn bằng một chất lỏng khác;  
- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển  
từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …);  
- Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước)  
di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm);  
- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối  
hoặc đường vào nước);  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
7
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN  
2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG  
- Là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí  
lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử  
trong hỗn hợp;  
- Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa  
chúng có một ranh giới cơ bản:  
• Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi;  
• Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi;  
- Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được  
bấy nhiêu sản phẩm;  
- Đối với trường hợp 2 cấu tử :  
• sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ε cấu tử có độ bay hơi bé;  
• sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ε cấu tử có độ bay hơi lớn;  
2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG  
Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:  
1.  
Chưng đơn giản:  
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau  
- thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất  
2.  
Chưng bằng hơi nước trực tiếp:  
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
8
- thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước  
3.  
Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu  
tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ  
sôi quá cao)  
4.  
Chưng luyện:  
- Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay  
hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau;  
- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao;  
- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất  
thường;  
2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ  
1.  
Dung dịch lý tưởng:  
- là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết  
giữa các phân tử khác loại bằng nhau.  
- Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn  
toàn tuân theo định luật Raout;  
2.  
Dung dịch thực:  
- Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;  
- Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác  
loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;  
- Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại  
> lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;  
- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân  
tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp.  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
9
⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất:  
chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất  
cứ tỷ lệ nào  
Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và  
thành phần của dung dịch 2 cấu tử  
2
1
1.  
2.  
3.  
Tuân theo định luật Raout;  
Sai lệch dương  
3
Sai lệch âm  
2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ  
2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y  
T = const  
P
P0  
A
Lỏng  
Lỏng - Hơi  
PM  
Hơi  
P0  
B
0
xM  
yM  
1
Trong đó:  
A
: cấu tử dễ bay hơi → P0 > P0  
A
B
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
10  
xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất  
PM  
→ Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM  
là: 1-xM, 1-yM  
⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi  
⇒ Sử dụng biểu đồ T-x-y  
2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y  
T
P = const  
T0  
B
Hơi  
Lỏng - Hơi  
TM  
Lỏng  
T0  
A
A
B
xM  
yM  
Trong đó:  
A
: cấu tử dễ bay hơi → T0 < T0  
A
B
xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và TM  
→ thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM là:  
1-xM, 1-yM  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
11  
2.4.5. Giản đồ phần mol x-y  
Ví dụ ta có giản đồ phần mol x-y của hệ 2 cấu tử Propane và Butane. Trong đó :  
− Trục x : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha lỏng ;  
− Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi.  
90  
90  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
12  
2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN  
2.5.1. Nguyên tắc hoạt động  
Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn :  
− Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ  
đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ;  
− Đoạn chưng : Là phần dưới, gồm  
từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới;  
Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa  
⇒ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình  
chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.  
Pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của  
đĩa xuyên qua pha lỏng đi từ trên  
xuống theo các ống (vách) chảy  
chuyền.  
⇒ Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới  
lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta  
sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi). Hơi này  
sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để  
hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh.  
Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử  
có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha  
lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm  
hầu hết là các cấu tử nặng. Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại  
(reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp  
luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi.  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
13  
⇒ Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp  
lại nhiều lần ở các đĩa  
⇒ Pha hơi đi lên càng giàu cấu tử nhẹ  
⇒ Pha lỏng đi xuống càng giàu cấu tử  
nặng  
− Theo lý thuyết → Mỗi đĩa là một  
bậc thay đổi nồng độ : thành phần hơi  
khi rời khỏi đĩa cân bằng với thành  
phần lỏng khi đi vào đĩa ⇒ số đĩa = số  
bậc thay đổi nồng độ.  
− Thực tế → trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cân  
bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết  
NLT  
Säâéalythuyãt  
η=  
=
⇒ Hiệu suất đĩa  
Säâéa thæctã NTT  
2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser)  
có 4 dạng Condenser :  
1. Partial (ngưng tụ một phần): Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh và chỉ ngưng  
tụ một phần. Loại Condenser này thực sự là một bậc thay đổi nồng độ. Nhiệt độ  
trong Condenser chính là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cân bằng.  
Gồm 2 loại :  
- loại Distillat vapor : lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, còn sản  
phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead.  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
14  
- Loại Distillat mixe : lỏng ngưng tụ một phần để hồi lưu về đỉnh tháp, còn  
lại lấy ra làm sản phẩm ⇒ sản phẩm đỉnh gồm 2 loại là sản phẩm hơi và  
sản phẩm lỏng.  
2. Bubble Temperature : Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm  
sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phần cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần  
còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw.  
Håi  
Håi  
Loín  
Loíng  
a- Dạng Partial  
b- Dạng Bubble  
Distillate vapor  
Distillate mixe  
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)  
có 4 dạng Reboiler :  
- Thermosiphon without baffles và with baffles  
- Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn)  
- Dạng “one through”  
- Dạng lò  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
15  
Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles.  
Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại  
Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau:  
Nguyên lý hóa công nghiệp  
16  
?
210  
?
?
?
300  
50  
2.5.4. Cân bằng vật chất  
Nếu gọi :  
F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp, kg/h  
P - Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h  
W - Lượng sản phẩm đáy, kg/h  
aF, aP, aW : nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp nguyên liệu,  
trong sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy.  
Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : F = P + W  
Nếu đối với cấu tử dễ bay hơi :  
F.aF = P.aP + W.aW  
⇒ W = F – P  
aF − aW  
P = F×  
Ta tính được P :  
aP − aW  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
17  
Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :  
aF  
aP  
aW  
MA  
MA  
MA  
xF =  
xP =  
xW =  
aF 1− aF  
MA  
aP 1− aP  
MA  
aW 1− aW  
MA  
+
+
+
MB  
MB  
MB  
Với MA, MB: khối lượng mol của cấu tử nhẹ và cấu tử nặng  
Tính khối lượng mol trung bình của:  
− hỗn hợp nguyên liệu: MF = xF.MA +(1-xF).MB  
− sản phẩm đỉnh:  
− sản phẩm đáy:  
MP = xP.MA +(1-xP).MB  
MW = xW.MA +(1-xW).MB  
Lập bảng cân bằng vật chất toàn tháp:  
Nồng độ % Nồng độ phần Lưu lượng khối Lưu lượng  
Hỗn hợp  
khối lượng  
mol  
lượng, kg/h  
mol, kg/h  
F
Nguyên liệu  
aF  
xF  
F
MF  
P
Sản phẩm đỉnh  
Sản phẩm đáy  
aP  
xP  
P
MP  
W
MW  
aW  
xW  
W
2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin  
Chỉ số hồi lưu rf là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.  
Để xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin, ta thực hiện theo  
những bước sau:  
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
18  
xP − y*F  
y*F − xF  
r
:
=
1- Xác định rf min  
f min  
Với y* - nồng độ phần mol cân bằng ứng với xF  
F
2- Xác định các giá trị rf = b. rfmin với b = 1,2 ÷ 2,5  
xP  
B =  
3- Xác định các giá trị  
r +1  
f
4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của:  
- Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (xP, yP) với điểm (0, B)  
- Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (xW, yW) với giao điểm của đường làm  
việc của đoạn luyện với đường x = xF (nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi)  
5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT bằng cách vẽ các đường thẳng song song  
với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm xP cho đến khi quá điểm xW. NLT thông  
thường không phải là số nguyên.  
6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin tương ứng  
với giá trị cực tiểu của NLT(rf + 1)  
b
…
…
…
…
rf  
B
NLT  
NLT(rf + 1)  
Nguyên lý hóa công nghiệp  
19  
Đường làm việc đoạn luyện  
B = xP/(Rx+1)  
Đường làm việc đoạn chưng  
xP  
xW  
xF  
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT  
NLT  
Số đĩa thực tế: NTT  
=
ηtb  
ηP + ηF + ηW  
ηtb =  
3
Với : ηP, ηF, ηW - hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa  
cuối cùng ở đáy tháp.  
Hiệu suất đĩa là một hàm của độ bay hơi tương đối α và độ nhớt µ của chất lỏng:  
η = f  
(
α,µ  
)
 
Nguyên lý hóa công nghiệp  
20  
Trong đó : α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp  
µ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2  
Độ bay hơi tương đối của các hỗn hợp thực được xác định theo công thức:  
y 1− x  
1− y x  
α =  
⋅
y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng  
Sau khi tính được tích (α , µ) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác  
định được ηP, ηF, ηW ⇒ xác định ηtb ⇒ NTT  
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 72 trang myanh 26700 Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Nguyên lý hóa công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_nguyen_ly_hoa_cong_nghiep.pdf